DIGITÁLIS TECHNIKA II

Átírás

1 DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy ita Dr. Pődör Bálint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 5. ELŐADÁS EGISZTEEK. Időzítési alapfogalmak 2. Tároló regiszterek 3. Léptető regiszterek 4. egiszterek alkalmazási példái Benesóczky, 9-33 old. Zsom II, old. őmer, 6-22 old. Példatár, 5-55 old., old. Grosz: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) 2 AZ ELŐADÁS ÉS A TANANYAG Az előadások Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése (7-89 old.) Tieze U., Schenk Ch: Analóg és digitális áramkörök (74-75 old.) Zsom Gyula: Digitális technika I és II őmer Mária: Digitális rendszerek áramkörei Gál Tibor: Digitális rendszerek I és II, Benesóczky Zoltán: Funkcionális elemek 24 (42-46 old.). L. Tokeheim: Theory and problems of digital principles EGISZTEEK FAJTÁI Felhasználás és felépítés szerint két csoport: - tároló regiszterek; - léptető regiszterek (shift register). c. könyvein, jegyzetein alapulnak. 3 4 Párhuzamos beírásnál és kiolvasásnál az információt a regiszter minden flip-flopjába egyszerre írják be, ill. egyszerre olvassák ki. Mivel ezeknél a regisztereknél léptetés nem szükséges, a regiszter csak tárolási feladatra alkalmas. Ezeket a típusokat átmeneti tároló vagy közbenső (puffer) regisztereknek nevezik. D D2 D3 D4 TÁOLÓ EGISZTEEK CL CLK Feladatuk adott, rövid ideig meglévő több bites információ tárolása. Az információ bitjei a kimeneten egyenként, közvetlenül és folyamatosan hozzáférhetők. Félvezetős integrált (MSI) regiszterek az információt csak folyamatos, megadott tűréshatáron belüli tápfeszültségérték mellett tudják megőrizni. 6

2 TÁOLÓ EGISZTEELKALMAZÁSA Két szám soros összeadása. B CL Cp B n A m n Cp A Σ (bin) m Összeg Túlcsordulás. B regiszter nullázása (CL B); 2. A regiszter feltöltése az első összeadandóval (Cp A); 3. Az eredmény betöltése a B regiszterbe (Cp B); 4. A regiszter feltöltése a következő összeadandóval (Cp A); 5. A 3. és 4. pont ismétlése, amíg van összeadandó. 7 TÁOLÓ EGISZTEEK: FELHASZNÁLÁSI TEÜLETEK aritmetikai egységekben, számlánc és kijelző között; kód és jelkonverziós műveleteknél; μp-os áramkörök input/output tárolóiként; aritmetikai/logikai egységek (ALU) közbenső tárolóiként; egyéb tárolást igénylő helyeken. 8 LÉPTETŐ EGISZTEEK: BEVEZETÉS A léptető regiszterek az információ tárolása mellett annak helyértékről helyértékre haladva való továbbítására is alkalmasak. A léptetés, a regiszter felépítésétől függően végezhető jobbra, balra vagy mindkét irányba is. A léptetés a szikronozójel (órajel, léptetőjel) hatására történik. Az információ beírása és kiolvasása történhet sorosan is, párhuzamosan is LÉPTETŐ EGISZTEEK: ÁLLAPOTEGYENLETEK Jobbra léptető regiszter: Balra léptető regiszter: in = i+ n- in = i- n- Jobbra (M=) - balra (M = ) léptető regiszter: in = M i- n- + M i+ n- 9 ALKALMAZHATÓ TÁOLÓK A léptetőregiszter flip-flopok olyan lánca, amely lehetővé teszi, hogy a bemenetére adott információ minden egyes órajel hatására egy flip-floppal tovább lépjen. A bemeneti jel késleltetve, de változatlanul jelenik meg a kimeneten. A léptetőregiszterek esetén a soros és párhuzamos beírás és kiolvasás, valamint a kétféle léptetési irány miatt sokféle típus állítható elő. A léptetőregiszterekben az ún. közbenső tárolású típusú flipflopok (pl. master-slave) alkalmasak. Az ún. átlátszó tároló típus erre a célra nem felel meg, mert a bemenetre adott információ azonnal végigfutna az egész regiszteren már az első órajel hatására. A megfelelő működés érdekében (minden léptetési parancsra egy és csakis egy léptetés) feltétlenül órajelvezérelt flip-flopokat kell alkalmazni. 2 2

3 LÉPTETŐ EGISZTE (D-FF) JOBBA LÉPTETŐ EGISZTE J-K FLIP-FLOPOKBÓL DATA IN A B C D CLK 3 CL 4 A LÉPTETŐEGISZTE MŰKÖDÉSE LÉPTETŐ (SHIFT) EGISTE MŰKÖDÉSE A 4 bit szóhosszúságú léptetőregiszter a 4. órajelre megtelik a sorosan beírt információval. A négy tároló kimenetein párhuzamosan megjelenik a négy bevitt információs bit, vagy a további órajelek hatására hozzáférhetővé válik a 4. flip-flop kimenetén. 5 A LÉPTETŐEGISZTE MŰKÖDÉSI TÁBLÁZATA SHIFTEGISZTE MINT SZÁMLÁLÓ CLK D D2 D - 3 D3 D2 D - 4 D4 D3 D2 D 5 D5 D4 D3 D2 6 D6 D5 D4 D3 7 D7 D6 D5 D Léptető regiszterből sokféle módon lehet számlálót kialakítani. Gyűrűs számláló Johnson számláló (Ál)véletlenszám generátor Közös alapelv: a léptető regiszter kimeneteit egy kombinációs hálózaton keresztül visszavezetik a soros bemenetre. 8 3

4 adat GYŰŰS EGISZTE X3 X2 X X GYŰŰS SZÁMLÁLÓ A gyűrűs számlálónál a visszacsatoló kombinációs hálózat egy darab vezeték. léptetés A gyűrűs regiszter jellemzője a visszacsatolás, utolsó bit kimenete az első bit bemenetére van kötve. Az egyszer beleírt értékét minden órajelnél a következő bit helyre lépteti. A recirkulációs (gyűrűs) regiszterben az órajel cirkulációban tartja a bináris információt, melyet párhuzamosan lehet beírni. Nevezik gyűrűs számlálónak is. A gyűrűs számlálók egyszerű visszacsatolással ellátott shift regiszterek. Kódolás: a b c d Sok fontos áramkör vezérlőjeként nyer felhasználást. 9 2 GYŰŰS SZÁMLÁLÓ Ilyen jelsorozatokkal pl. vezérlési feladatok oldhatók meg. Hasonló kimeneti sorozatot pl. egy számlálóval címzett dekóderrel is elő lehet állítani, azonban ennek hátránya, hogy a dekóder bementén egynél nagyobb Hamming távolságúak is lehetnek ez egymást követő címek így ezeknél az átmeneteknél funkcionális hazárd léphet fel (tranziensnyi időre olyan kimenet is aktivizálódhat, amelynek nem kellene). Fontos megjegyzés. A bekapcsolás után a tárolók tartalma meghatározott, de ismeretlen érték, ezért a bekapcsoláskor előálló, vagy erre a célra szolgáló nyomógombbal előállított jelnek mindig biztosítani kell egy kezdő érték beállítását. 2 Két db -s körbeléptetése Variációk: a eset b eset A b esetben az eredeti érték itt is 4 lépés után áll vissza, de a és a 2-s valamint az és 3-as állapot nem különböztethető meg. Három db -es körbeléptetése A 3 db -s körbeléptetése tulajdonképpen a -t körbeléptető gyűrűs számlálót jelenti. Fontos megjegyzés, hogy a totális, csak vagy csak -t tartalmazó állapotból a gyűrűs számláló nem tud kilépni, és vannak olyan állapotai, amelyekbe ha hiba folytán (alapvetően áramköri zavar hatására) belép, e hibás állapotoktól kezdve nem a kívánt lépéseket hajtja végre, hanem más ciklust. 4

5 GYŰŰS SZÁMLÁLÓ (ING COUNTES) A ring counter, instead of counting with binary numbers, counts with words that have a single high bit. These are ideal for timing a sequence of digital operations. An application: time-division multiplexor 2 3 D D D2 D3 OUT: D D D2 D3 D D JOHNSON (MÖBIUS) SZÁMLÁLÓ A visszacsatoló hálózat egyetlen inverter. Így kezdeti érték mellet a számláló először feltölti magát egyesekkel, majd nullákkal. Kódolás: a b c d 26 JOHNSON (MÖBIUS) SZÁMLÁLÓ Állapot dekódolás: két-bemenetű ÉS kapu és inverterek. Pl. () a d () ab stb. Az így előállított kimenet nem lesz hazárdos, mivel az egymást követő kódok szomszédosak. ÖNKOIGÁLÓ JOHNSON SZÁMLÁLÓ Tetszőleges kezdőállapotból is belefut a normál ciklusba. Elv: A Johnson számláló előbb-utóbb előállít egy XX állapotot. Ez aktivizálja a LOAD (betöltés) funkciót, így beállítható a normál üzemmód JOHNSON SZÁMLÁLÓ GYŰŰS/JOHNSON SZÁMLÁLÓ \eset S J CLK K S 2 S 3 S 4 J J J CLK CLK CLK K K K Shift + Shift állapot, minden lépesben csak egy bit változik, így elkerülhető a kimeneten a hazárd (hibás kód) fellépte A Johnson számláló kimeneti állapotai 2 bemenetű kapuk felhasználásával egyszerűen, és hazárdmentesen dekódolhatók, ezért kedvelt elemei a nagyobb áramkörök vezérlését biztosító 3 állapot generátoroknak, az úgynevezett sequencer-eknek. 5

6 GYŰŰS EGISZTE MODULÓ SZÁMLÁLÓ Bizonyos alkalmazásokban (álvéletlen generátor, hibafelismerő kódolás) használatos a léptető regiszterből a KIZÁÓ-VAGY visszacsatolással létrehozott Moduló számláló. A 8 bites gyűrűs regiszter az adott visszacsatolással 2 állapotú.... állapotból indulva a 4. majd a 6.. stb. órajelre a regiszter állapota. 3 ÁLVÉLETLENSZÁM GENEÁTO ÁLVÉLETLENSZÁM GENEÁTO = = A B C D Ha a visszacsatoló hálózat XO kapukból áll, akkor legfeljebb 2 N -, vagy annál kisebb modulus állítható be. Az adott esetben ez 5. Az egymást követő kódok véletlenszerűek. 4 bites léptetőregiszterből megvalósított, 5 állapotú Moduló számláló A B C D Szekvencia: (), (8), (4), (2), (9), (2), (6), (), (5), (), (3), (4), (5), (7), (3). A moduló számláló, a csak -át tartalmazó állapotából a soros bemeneten előálló vezérlésére nem tud kilépni. Ez az úgynevezett tiltott kód. Ezen eset kiküszöbölésére a megoldás tartalmaz egy hibaállapotból kiléptetést biztosító, kiegészítő áramkört. Természetesen normális működéskor a h érték nem áll elő, és az áramkör az igazság táblájában leírt értékeket ismétli. Egy n bites léptető regiszterből a maximális (2 n -) hosszúságú moduló számláló nem mindig a soros bemenettől legtávolabbi két bit KIZÁÓ-VAGY kapcsolatából áll elő. Vannak ettől eltérő esetek is, amikor két közbenső bit visszacsatolása adja a legnagyobb hosszt. 6

7 ÁLVÉLETLENSZÁM GENEÁTO A kódszavak sorrendje véletlenszerű. Fokozatok Állapotok Visszacsatolás száma száma helye 3 3 3, , , , , 6 (ld. Benesóczky Z., Digitális tervezés funkcionális elemekkel...) LFS - Linear Feedback Shift egister 37 MULTIVIBÁTO Az astabil multivibrátor egyetlen stabil állapottal sem rendelkezik. A kimenetén folyamatosan négyszögjelet állít elő. A bistabil multivibrátornak (Flip-Flop) két stabil állapota van. A kimenet állapota csak akkor változik meg, ha a folyamatot egy bemenő jel aktiválja, aminek hatására átbillen egy másik stabil állapotába A 6-bit Fibonacci LFS A monostabil multivibrátor egy indító jel hatására a kimenetén egy négyszögimpulzust állít elő. 555 TIME IC 4 7